22 ноября 2009 года в Москву прилетел руководитель Отделения ядерной физики и астрофизики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) д.ф.-м.н. Олег Далькаров, который участвовал в 31-м заседании Совместного Комитета Россия - ЦЕРН, сопредседателями которого являются министр образования РФ Андрей Фурсенко и генеральный директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер.
Вечером 20 ноября 2009 года состоялся пробный запуск Большого адронного коллайдера (БАК или LHC). Пробный в том смысле, что пока протонные пучки проходили по двум соответствующим вакуумным проводам, то есть по двум кольцам, энергия пучков была 250 ГэВ, пока ускорения не было. Столкновение частиц не планировалось. Это был пробный запуск с целью проверки всех промежуточных ступеней, то есть работы магнитов, удержания поля и всего прочего. После аварии, случившейся осенью прошлого года, руководство ЦЕРНа очень осторожно относится к планированию его работы: на этот раз начали с минимальных параметров, и повышаться они будут постепенно. Однако начальный этап запуска коллайдера состоялся, и к этому событию было приурочено 31 заседание Совместного Комитета Россия - ЦЕРН.
"К 15 декабря, то есть за ближайшие 2-3 недели, планируется поднять суммарную энергию разгоняемых пучков до 1,2 ТэВ. К тому же, одновременно с перезапуском LHC, были начаты работы по его модернизации для увеличения интенсивности пучков. Вполне возможно, что уже в будущем году интенсивность будет поднята на порядок", - рассказывает дальше Олег Далькаров.
Таким образом, в середине декабря планируется провести опыты со столкновением вращающихся протонных пучков протонов с энергиями ближе к 1 ТэВ. Однако пока эти столкновения будут считаться пробными, так как их энергии уступают тем, что могут быть достигнуты на ускорителе "Тэватрон", который работает в США. Максимальная же энергия, которая может быть достигнута на БАК, - 14 ТэВ. Эта энергия определяется радиусом построенного кольца - 27 км.
Следующий, второй этап – это получение данных. К этому этапу все детекторы сейчас готовы, то есть если бы сейчас были столкновения, то можно было бы получать данные. Один из основных результатов, на получение которых можно рассчитывать – ограничение на массу бозона Хиггса. Оно позволит подтвердить или опровергнуть существующие модели картины мироустройства, которые объясняют, откуда у всех наблюдаемых объектов берется масса.
В настоящее время продолжается активное сотрудничество лабораторий ФИАН с ЦЕРНом, начало которому было положено более 40 лет назад. Сотрудники ФИАН принимают активное участие в экспериментальных и теоретических исследованиях фундаментальных взаимодействий в ЦЕРНе и обработке данных:
• в изготовлении и эксплуатации
- трекового детектора переходного излучения для эксперимента ATLAS;
- жидкоаргоновых калориметров для эксперимента ATLAS;
- электромагнитного калориметра для эксперимента CMS;
• в эксперименте OPERA по поиску осцилляций нейтрино;
• в эксперименте COMPASS по изучению реакций ассоциативного рождения адронов;
• в эксперименте CLOUD по исследованиям роли потоков заряженных частиц, как в формировании электродинамических свойств атмосферы, так и в процессе глобальных изменений облачности и климата;
• в разработке программного пакета GEANT-4, предназначенного для моделирования прохождения ионизирующего излучения через вещество;
• в разработке системы GRID.
На БАК 4 основных детектора: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, все они смонтированы в местах столкновения частиц. Основными из них на сегодняшний день являются ATLAS и CMS, эти детекторы нацелены на протон-протонные столкновения, именно они будут получать физическую информацию в следующем году. Детектор ALICE рассчитан на регистрацию столкновений тяжелых ионов, это уже следующий этап на БАК. LHCb – это, так называемая, B-мезонная фабрика, это следующие после ATLAS и СМS эксперименты.
Сотрудники ФИАН (6 групп различной специализации) работают и на ATLAS, и на СМS. На ATLAS ФИАН отвечает за два очень существенных элемента этого детектора. Первый – это внутренний детектор, который стоит в самом "сердце" ATLAS (длина детектора - 46 метров, высота - 30 метров). Это трековый детектор переходного излучения, который готовила группа Алевтины Павловны Шмелевой (ведущий научный сотрудник лаборатории Элементарных частиц ФИАН). Эта группа в рамках международной коллаборации разрабатывала конструкцию самого внутреннего детектора, руководила процессом его сборки и калибровки, создавала программное обеспечение для моделирования процессов в детекторе и алгоритма восстановления трека.
Вторая группа, которой руководит доктор физ.-мат. наук Астон Антонович Комар (заведующий лабораторией электронов высоких энергий ФИАН), отвечает за жидкоаргонный детектор, это элемент детекторной структуры того же АТЛАСА, элемент довольно существенный, поскольку из-за огромной множественности рождающихся частиц при столкновении пучков столь высокой энергии для распознавания и восстановления треков требуется использование разного типа детекторов и регистрирующих устройств, и вот одно из них – это жидкоаргонный детектор.
На CMS фиановская группа под руководством Сергея Васильевича Русакова (главный научный сотрудник лаборатории электромагнитных взаимодействий ФИАН) занимается разработкой программного обеспечения, работает в сменах по калибровочным измерениям характеристик детектора, готовится к обработке данных.
Нужно отметить, что исследовательская деятельность в ЦЕРНе не замыкается только на экспериментах непосредственно в коллайдере. Очень важно, что выполняется большое количество экспериментов на всех ускорительных системах центра.
Так, например, группа доктора физ.-мат. наук Юрия Анатольевича Александрова (главный научный сотрудник лаборатории электронов высоких энергий ФИАН) участвует в проекте COMPASS – это многоцелевой детектор, на котором уже получены интересные результаты по B-мюонным исследованиям.
Целью проекта PS215/CLOUD (д.ф.-.м.н. Махмутов В.С., работы на ускорителе PS) являются фундаментальные исследования роли потоков заряженных частиц как в формировании электродинамических свойств атмосферы, так и в процессе глобальных изменений облачности и климата (в том числе – исследование космофизических причин наблюдаемого в последние годы процесса глобального потепления на Земле.
Также в ЦЕРНе действует антипротонный замедлитель AD, где изучается физика взаимодействий вещества и антивещества и успешно реализуется уникальный проект синтеза, накопления и исследования свойств ультрахолодного антиводорода несколькими экспериментальными коллаборациями. Основными физическими целями данных экспериментов является изучение физики взаимодействия вещества и антивещества, проверка методами атомной спектроскопии с высокой степенью точности (до 10-18) сохранения фундаментальных симметрий, исследование гравитационных свойств антиводорода и поиск новых типов фундаментальных взаимодействий. Успешные экспериментальные исследования ультрахолодного антиводорода и его взаимодействия с веществом требует решения ряда теоретических проблем. Для их решения в работах теоретиков ФИАН (д.ф.-.м.н. О.Д.Далькаров) был предложен и развит квантовомеханический формализм для описания взаимодействия атомов водорода и антиводорода при ультранизких энергиях.
Для осуществления эксперимента ОPERA в ЦЕРНе был создан специальный канал CNGS (The CERN Neutrinos to Gran Sasso), который формирует нейтринный пучок (специально предназначенный для изучения осцилляций нейтрино) в направлении итальянской подземной лаборатории Gran Sasso. Эксперимент ОПЕРА (OPERA, Oscillation Project with Emulsion-tRacing Apparatus) – один из крупнейших современных международных экспериментов в области нейтринной физики, в котором участвуют специалисты из 39 институтов 13 стран мира (в том числе из 5 российских институтов; руководитель фиановской группы – д.ф.-.м.н. Н.Г.Полухина), 180 физиков.
Программный пакет Geant4 предназначен для моделирования прохождения ионизирующего излучения через вещество. Проект стартовал в 1994 г. как НИР ЦЕРНа для экспериментов БАК по разработке объектно-ориентированного программного обеспечения, обеспечивающего надежную поддержку больших пакетов (порядка миллиона строк на языке С++). В конце 1998 г. была успешно представлена бета-версия пакета, а в 1999 г. проект был преобразован в международное сотрудничество, поскольку к тому времени стали ясны его большие перспективы для приложений в астрофизике, дозиметрии и медицине. ФИАН (руководитель – д.ф.-.м.н. В.М.Гришин) с самого начала активно участвует в разработке Geant4.
В настоящее время в мире происходит бурное развитие новой компьютерной технологии – Грид (GRID), названной так по аналогии с электрическими сетями – electric power grid. Суть технологии заключается в объединении географически распределенных и гетерогенных по своему составу компьютерных ресурсов в некую инфраструктуру, обеспечивающую простой, надежный, совместимый по программному обеспечению, быстрый и безопасный доступ к этим ресурсам. В ФИАН в 2006 году создана и успешно функционирует компьютерная ферма, построенная на основе технологии Грид (руководитель – О.М.Полянникова). Эта ферма является ресурсом GRID сети LCG, предназначенной для моделирования и анализа данных экспериментов на ускорителе LHC в ЦЕРН.
Многие научные результаты, полученные в ФИАНе, являются основополагающими для создания новой мощной ускорительной техники и для развития эффективной методики детектирования частиц. Являются они ключевыми и для теоретической интерпретации процессов при высоких энергиях, включая будущие эксперименты на БАК.
Принцип автофазировки, открытый в ФИАНе В.И.Векслером, составляет основу всех крупнейших современных (циклических) ускорителей частиц.
Эффект Вавилова-Черенкова, открытый и объясненный в ФИАНе, используется практически в каждом современном детекторе частиц высоких энергий.
Переходное излучение, предсказанное в 1946 г. В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком, экспериментально обнаружено А.Е.Чудаковым в 1955 г. В дальнейшем это явление активно изучалось в лаборатории элементарных частиц в ФИАНе с целью создания на его базе детектора для физики высоких энергий. В настоящее время детектор переходного излучения является одним из основных элементов внутреннего детектора эксперимента ATLAS, крупнейшего эксперимента на LHC.
Выдающийся вклад в развитие сверхпроводимости внесен В.Л. Гинзбургом. В настоящее время сверхпроводимость широко используется в современной ускорительной и экспериментальной физике высоких энергий.
А.И. Никишовым и В.И. Ритусом в 1964-67 г.г. построена теория фундаментальных процессов квантовой электродинамики в интенсивных полях, предложено их наблюдение во встречных электрон-фотонных (лазерных) и фотон-фотонных (лазерных) пучках. В 1996 - 99 г.г. важнейшие из этих процессов были успешно наблюдены на Стэнфордском линейном ускорителе американскими физиками.
Решающий вклад в теорию множественных процессов при высоких энергиях внесли работы Е.Л. Фейнберга и сотрудников.
Ю.А. Гольфандом и Е.П. Лихтманом в 1971 г. была впервые предложена суперсимметрия – фундаментальная симметрия нового типа, объединяющая в единые мультиплеты бозоны и фермионы.
В работах Е.С. Фрадкина, И.А. Баталина и Г.А. Вилковыского, Б.Л. Воронова и И.В. Тютина развит универсальный метод квантования калибровочных теорий общего вида.
Россия еще с советских времен вносит огромный вклад в работу ЦЕРНа, при этом не только в экспериментах на БАК. Что касается собственно самого коллайдера (подобный ускоритель, кстати говоря, изначально планировалось строить именно в подмосковном Протвино), то во всех обслуживающих системах и в организации работы всех без исключения детекторов присутствует российская "составляющая".
"Вклад России в ЦЕРН очень большой. ЦЕРН – это гигантский исследовательский центр, в котором работают тысячи людей. Для обеспечения стабильной работы БАК организовано круглосуточное дежурство. На дежурстве в этих сменах за работой элементов коллайдера и детекторов следят в основном физики-экспериментаторы, которые непосредственно участвовали в их разработке. Участие в сменах рассматривается как прямой вклад в выполнение эксперимента и при отработке определенного количества смен дает право на соавторство в публикациях", - заканчивает Олег Далькаров свой рассказ.
Следующее заседание Совместного Комитета Россия - ЦЕРН состоится в Москве в июне 2010 года. Вполне возможно, что уже к этому времени, масштабы интеллектуальной помощи, оказываемой ЦЕРНу нашей страной, успеют значительно увеличиться.
АНИ «ФИАН-информ»
С 14 февраля 2013 года Большой Адронный Коллайдер (БАК) закрыт на модернизацию и апгрейд существующих детекторов. А что делает БАК, когда не работает? О нюансах обработки данных самого масштабного научного эксперимента в истории рассказывает сотрудник ФИАН Руслан Машинистов
Старший научный сотрудник лаборатории элементарных частиц ФИАН Машинистов Руслан Юрьевич с 2005 года вместе с Игорем Леонидовичем Гавриленко работает в группе программного обеспечения трекинга в эксперименте ATLAS на Большом Адронном Коллайдере над проектом адаптации кода для использования многоядерных процессоров. От эффективности и корректности разрабатываемого ими программного обеспечения напрямую зависит и качество будущих исследований. А, следовательно, и судьба возможных будущих открытий. Мы попросили Руслана рассказать о важности и особенности проводимых ими разработок, их месте в эксперименте.
Руслан, расскажите, чем занимаются исследователи во время этого перерыва в работе Коллайдера?
Работы не меньше, чем во время экспериментов! Коллайдеру требуется не только капитальный ремонт, но и апгрейд инфраструктур - подводящих систем детекторов, программного обеспечения (ПО) для обработки данных. Так, одно из направлений модернизации связано с возможностью использования многопроцессорных и многоядерных вычислительных систем. Ведь у нас постоянно растёт эффективность ускорителя, что увеличивает наложение событий и, соответственно, сложность разных стадий обработки данных. Например, реконструкции и трекинга.
Что означают термины «реконструкция» и «трекинг»?
Реконструкция – это процесс получения из «сырых» данных от различных датчиков и детекторов информации о физических частицах, их свойствах и траекториях. Он включает в себя несколько этапов. Первый – это оцифровка данных, а второй – как раз тот самый трекинг: восстановление траекторий движения (или треков) элементарных частиц внутри детектора. С точки зрения ПО, трек – это математическая модель пути, которая задаётся пятью параметрами и определяется по координатам точек, где частица пересекает различные датчики детектора. Поэтому первые два параметра – глобальные координаты датчика в геометрическом пространстве, а другие два – координаты локальные, координаты точки, где трек пересёк детектор в его системе координат. Эта система координат может быть декартовой, сферической, цилиндрической. Одним словом, привязана к геометрии детектора. И, наконец, пятым параметром идёт отношение заряда к значению поперечного импульса.
Получается, что детекторы в этих экспериментах считаются некими идеальными приборами, которые только регистрируют траекторию частиц и никак на неё не влияют?
Нет-нет, детекторы влияют и это учитывается. Ведь есть эффект взаимодействия с материей. Частица пересекает различные детекторы из различных материалов, теряет импульс и отклоняется от траектории. С этим связан один из самых сложных моментов обработки, который называется калибровкой детектора. С одной стороны, обладая одной точкой трека, мы можем предсказать, в каком месте частица пересечёт следующий детектор. А с другой, мы потом получаем отличные от предсказанных координаты из детекторного сигнала. И реальное значение где-то посередине, а в процессе калибровки мы как раз делаем так, чтобы наше моделирование начальных данных и сигналы с детекторы давали максимально близкие координаты.
А когда мы сможем определить: вот эта пролетевшая частица – это электрон или протон?
После трекинга мы ещё только понимаем, что какая-то частица летела по какой-то траектории. У неё может быть заряд, по сути, положительный или отрицательный. Дальше, за трекингом идёт реконструкция следующего уровня, когда на выходе мы знаем, что у нас за частица – электрон, мюон или, например протон, и какие у неё параметры.
Как помогут в решении этих задач многоядерные вычисления?
Начать надо с того, что сейчас, помимо многоядерных вычислений, существует ещё один подход к вычислительным системам, который пытаются внедрить в экспериментальной физике. Это так называемые графические процессоры, которые по сути представляют многомерную матрицу физических процессоров. Грубо говоря, это вычислительные машины на тысяче независимых процессоров. Насколько я знаю, их уже используют в триггерных системах, которые в реальном режиме времени решают, какие события стоит записывать, а какие отсекать. В остальном в использовании графических процессоров есть серьёзные сложности. Они разработны для решения специлизированных задач, а именно – матричных вычислений. Для этого даже существует свой язык программирования. А потому все гигантские коды нашего современного ПО реконструкции для работы на графических процессорах нужно переводить и оптимизировать. Это нецелесообразно! Поэтому пока оптимальным решением является использование центральных многоядерных процессоров. Хотя и в этом подходе есть свои сложности.
Главная сложность в том, что код очень гетерогенный, разнообразный. Это часто бывает в таких эпических экспериментах. Ведь код пишется разными людьми и на протяжении долгого времени. В результате, используются разные языки, подходы, базы данных. Например, сейчас 99 % кода написано на C++, а когда вся история только начиналась, около 20 лет назад, основным языком был Fortran. Или другой пример – когда я восемь лет назад только пришёл в эксперимент, наш детектор TRT (Transition Radiation Tracker, Трековый Детектор Переходного излучения – прим. Ред.) ещё был на поверхности и проверялся без магнитного поля. Соответсвенно, все траектории были прямые и под них был написан код обработки. А когда включили магнитное поле, они стали уже спиралеобразными и понадобились новые алгоритмы трекинга.
И к чему приводит такая изменчивость и неоднородность программного кода?
В результате, большинство вычислений у нас идут линейным порядком – работает только одно вычислительное ядро, а остальные, получается, простаивают. Поэтому разработчики ПО сейчас стараются оценить старый код с точки зрения того, можно ли его малыми усилиями переработать для осмысленного использования преимуществ многоядерных процессоров. И вот со стороны ФИАН этими задачами занимаюсь я и И.Л. Гавриленко.
Расскажите, пожалуйста, подробнее о своей работе
Вот один из примеров – недавно я решал задачу по упрощению кода, который отвечает за работу с параметрами трека. Как мы помним, их пять – глобальные координаты, локальные координаты и поперечный импульс. И вот в начале был какой-то пакет обработки для треков без заряда. Все линии прямые. А потом включили магнитное поле, и заряды частиц стали важны. Нейтральные частицы летели по прямой, а заряженные по спирали. Поэтому разработчики ПО в самом начале кода сделали такую «вилочку» – либо то, либо то. А потом сказали: «У нас у детекторов могут быть разные поверхности». Значит разные системы локальных координат. Ещё одна «вилочка»! Получается такая большая разветвлённость, а код практически везде одинаковый. Меняется только один-два параметра. В конце 2012 года я составил план по объединению таких разветвлений в единый код. Вот как раз такими задачами мы с Игорем Леонидовичем и занимаемся. Или другой пример: мы взяли ресурсозатратные алгоритмы и перестроили внутренним образом так, чтобы каждый новый трек поступал на освободившееся ядро. Первые наши данные показали непосредственную зависимость снижения времени вычисления от числа ядер. Так что принципиальную возможность переделать код, чтобы он эффективно решался на параллельных вычислительных ядрах, мы показали. Но это только первый шаг! Ведь изменения таких ключевых компонентов кода неизбежно повлекут каскадные изменения в десятках, если не сотнях других программных пакетов эксперимента.
В последнее время много говорят о распределённых, облачных вычислениях. Будет ли как-то использоваться этот подход в экспериментах на коллайдере?
Будет, но только в следующем за реконструкцией этапе обработки данных – физическом анализе, который достаточно независимо выполняется физиками по всему миру. И вот, чтобы снизить нагрузку, делается система глобального распределения GRID, которая позволяет физикам ставить свои задания в очередь и организовывает контролируемый доступ к общим данным – трекам, параметрам частиц и так далее.
Получается, в этом смысле параллельные вычисления уже давно используются? Только вместе ядер выступают живые люди?
В этом смысле, конечно. Вообще, вся эта модульная и параллельная система логически вытекает из организации менеджмента и управления ЦЕРН. Ведь здесь есть много больших и почти независимых групп – одна, условно говоря, занимается трекингом, другая – физическим анализом, а третья – обслуживанием детектора. Им даются глобальные задания, которые разбиваются на подзадания для минигрупп и так далее. Даже внутри нашего детектора я, например, занимаюсь пакетом, который отвечает за параметры треков. Кто-то соседний – за такую же работу, связанную с алгоритмами пересчёта координат. А третий человек, например, разбирается с программным описанием геометрии детектора. Очень часто мы все делаем похожие вещи, но в различных частях кода. А чтобы не было такого пересечения, чтобы два человека не делали одну и ту же работу, у нас происходят регулярные «митинги» (от англ. meeting – встреча прим. Ред.), то есть рабочие совещания, где люди закрепляют за собой задачи. Примерно вот такой процесс. Очень распараллеленный и эффективный.
М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»
Профессор Гвидо Эмилио Тонелли, получивший престижную премию Мильнера в области фундаментальных проблем физики и работающий на сегодняшний день в ЦЕРНе, коллаборации CMS, представил в ФИАНе свой доклад «Об открытии бозона, подобного Хиггсу, с помощью CMS детектора на Большом адронном коллайдере». В ходе доклада профессор Тонелли рассказал также о прошлом, настоящем и будущем поисков новой физики в рамках работы коллабораций CMS и ATLAS.
Большой Адронный Коллайдер (БАК) – самый крупный в мире ускоритель заряженных частиц длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Первый официальный запуск коллайдера состоялся в 2007 году. Суть процесса работы коллайдера состоит в столкновении пучков протонов и ядер высокой энергии, которые разгоняются во встречных направлениях до скорости, близкой к скорости света. Столкновение происходит в четырех точках, оснащенных специальными детекторами, фиксирующими процессы, происходящие во время столкновения. Одним из таких детекторов является детектор CMS. На каждом из детекторов работают коллаборации ученых, крупнейшей из которых является коллаборация CMS. В CMS насчитывается около 3000 физиков из разных стран, в том числе сотрудники ФИАН, которые принимают активное участие в исследованиях. Детекторы способны увидеть до 600 млн. «событий», происходящих во время столкновения частиц. На основе анализа таких событий коллаборациями CMS и ATLAS и было зафиксировано существование бозона, по своим свойствам схожего с предсказанным бозоном Хиггса.
Изначально идея строительства БАК была продиктована необходимостью экспериментальной проверки существующей Стандартной Модели частиц, поиска суперсимметрии и понимания новой физики. Однако Стандартная Модель не может объяснить большое число явлений, имеющих место во Вселенной. Например, темная материя не может быть описана Стандартной Моделью. На сегодняшний день предложено несколько теорий, которые объясняют суть основных явлений во Вселенной и претендуют на новую физику. Наиболее известная из них, благодаря широкой популяризации в СМИ, теория струн. Подтвердить или опровергнуть данные теории призваны результаты, которые ученые надеются получить в будущем с помощью БАК.
Приоритетной задачей экспериментального подтверждения Стандартной Модели с самого начала был поиск бозона Хиггса – элементарной скалярной частицы, наличие которой теоретически предположил П. Хиггс в 1964 году. Доказательство существования бозона Хиггса завершает построение Стандартной Модели и открывает перспективы следующего уровня исследований микромира.
В ходе своего доклада профессор Г. Тонелли рассказал об истории экспериментов по поиску бозона Хиггса в рамках совместной работы коллабораций CMS и ATLAS.
«В июле 2010 года стартовал проект, который окрестили «Миссия невыполнима»: открыть бозон Хиггса или исключить его навсегда. Почему «Миссия невыполнима»? Потому что после ужасного происшествия на БАК в 2010 году при энергии 7 ТэВ, когда одно из звеньев ускорителя было буквально разорвано на мелкие части, никто всерьез не верил в успех поиска бозона Хиггса до того, как БАК снова не будет собран по кусочкам, чтобы запустить его на новую величину – 14 ТэВ. Если бы не невероятные усилия, предпринятые за последние два года, не было бы ни этого открытия, ни сегодняшней встречи, ни моего доклада. В 2010 году мы начали все практически с нуля: новые идеи, совершенно новые подходы, очень агрессивный и современный инструмент анализа...» – рассказал профессор Г. Тонелли.
И вот, в июле 2012 года CMS и ATLAS официально объявили о том, что в ходе исследований наблюдается превышение событий при значении массы 125 ГэВ, и есть достаточно веские основания интерпретировать это как открытие новой частицы, возможно являющейся бозоном Хиггса. Наиболее значимое подтверждение ученые получили в ходе наблюдений в канале с двумя фотонами в конечном состоянии и в канале с двумя парами заряженных лептонов. В Стандартной Модели изначально предполагалось, что бозон Хиггса должен быть скрыт в области низких масс, на которые и были направлены экспериментальные исследования. Новая частица оказалась самым тяжелым из известных бозонов и, что очень важно, была зафиксирована двумя детекторами с уровнем статистической значимости в 5 стандартных отклонений. Такой уровень статистической значимости является основанием для официального научного заявления об открытии.
Открытие новой частицы, таким образом, произошло при энергии столкновения протонов всего лишь в 7...8 ТэВ. Все это стало возможным, благодаря превосходной работе детекторов и сотням молодых талантливых физиков, которые приняли вызов и совершили буквально чудо. Период с января по июль 2012 года по праву был назван «7 месяцев, которые изменили физику навсегда».
Особенно важным аспектом публичных обсуждений стал вопрос соответствия новой открытой частицы Стандартной Модели и бозону Хиггса.
«В шутку про неопределенную пока ситуацию с новым бозоном мы говорим: «Он ходит как утка и крякает как утка». То есть, новая частица похожа по характеристикам на предсказанные для бозона Хиггса, однако... нам потребуются еще дополнительные исследования, чтобы понять, что там происходит, и не выходят ли свойства новой частицы за рамки Стандартной Модели», – пояснил профессор Г. Тонелли.
Несмотря на необходимость получения дополнительных данных, бозон Хиггса практически уже получил неоспоримые подтверждения своего существования. Однако сегодняшний триумф Стандартной Модели все еще является достаточно призрачным и проблематичным на пути познания Вселенной. Несмотря на достигнутый успех в подтверждении Стандартной Модели, мы знаем, что она никак не объясняет множество очень важных явлений: темную материю, темную энергию, механизм космической инфляции, объединение сил гравитации и его роль, массы нейтрино и их иерархию, асимметрию материи и антиматерии, лептогенезиз и бариогенезис и другие.
Приоткрыть новые тайны ученые надеются в будущем. Уже намечены пути дальнейшей модернизации БАК. Так, в 2015 году планируется запустить БАК с энергией столкновения протонов до 13 ТэВ и интегральной светимостью в 100 фбн−1. После следующей модернизации в 2018 году новый этап набора данных состоится в период с 2019 до 2021 года, когда планируется достижение светимости в 300 фбн−1. А после последнего планируемого на сегодняшний день этапа модернизации, с 2023 по 2030 годы предполагается достижение светимости в 3000 фбн−1, что с позиции сегодняшнего дня является фантастической величиной.
Вот как прокомментировал доклад Тонелли главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Игорь Михайлович Дремин: «Тонелли обладает талантом не только физика, но и популизатора науки. Его двухчасовой доклад был образцом изложения сложных физических и технических проблем в общедоступной форме. В то время, когда велись поиски бозона Хиггса, Тонелли был лидером коллаборации CMS и основным инициатором и участником этих поисков. Поэтому их грандиозный успех непосредственно связан с его именем. Как это часто бывает в науке, новое научное открытие не только разрешает какую-то проблему, но и вызывает множество новых вопросов, часть из которых упомянуты выше. Над ответами на них и предстоит работать в дальнейшем».
Результаты будущих экспериментов могут полностью перевернуть представления человечества о сути вещей и Вселенной. Современная физика, как наука, подошла к этапу необходимости дальнейшего развития, которое невозможно без новых экспериментальных практических данных. Открытие бозона Хиггса только на один маленький шаг приближает нас к пониманию новой физики и впереди еще бесконечное количество новых и сложных загадок.
Е. Барчугова, АНИ «ФИАН-Информ»
21.03.2013
При взаимодействии на коллайдере частиц высоких энергий образуется огромное количество разнообразных частиц. Этот процесс называется множественным рождением, а различные его характеристики предсказываются с помощью теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамики (КХД). Однако результаты последних подобных экспериментов на БАК (Большом Адронном Коллайдере) не совпадают с предсказаниями моделей, построенных по результатам прошлых экспериментов на других ускорителях. О возможных причинах этого несовпадения и открывающихся горизонтах новой экспериментальной физики высоких энергий на гинзбурговской конференции рассказал Ник Брук, профессор Университета Бристоля и один из ведущих специалистов в области изучения множественного рождения частиц.
Для идентификации рожденных частиц идеально подходит техника двух экспериментальных проектов, проходящих на БАК. Это проект ALICE (A Large Ion Collider Experiment), оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ионов и LHCb, предназначенный для изучения B-мезонов, частиц содержащих «прелестный» кварк. А сама информация о рождении частиц является необходимым фундаментом для дальнейшего развития КХД. Комментирует Ник Брук: «Наблюдаемые распределения частиц характеризуют адронное состояние материи и являются чувствительными к лежащей в основе протон-протонных взаимодействий квантовой хромодинамике. ALICE, ATLAS и CMS уже измеряли распределения частиц в центральном регионе взаимодействия, а геометрия LHCb позволяет отследить динамику столкновений и в отдаленной области. Это дает нам столь необходимую информацию для развития моделей и улучшения Монте-карловских генераторов событий»
Квантовая хромодинамика возникла в 70-ых годах прошлого века, как микроскопическая теория, описывающая сильное взаимодействие на субадронных масштабах, в котором участвуют кварки, глюоны и составленные из них частицы – адроны (В том числе и связанные сильным взаимодействием протоны и нейтроны атомного ядра). Основной постулат квантовой хромодинамики приписывает всем кваркам особое квантовое число, называемое цветовым зарядом или цветом. Столь привычное слово не имеет ничего общего с обычными оптическими характеристиками, но зато лаконично подчеркивает тот факт, что кварки в природе встречаются лишь в виде бесцветных комбинации. Адронов, составленных из трех кварков (Вспоминаем аналогию – красный, зеленый и синий в сумме дают белый) или глюонов из кварка и антикварка с антицветом.
Предсказания КХД о параметрах множественного рождения частиц даются либо в аналитической форме, либо в виде численных компьютерных расчетов по моделям Монте-Карло, которые можно детально сопоставлять с экспериментальными данными. Эти модели называют генераторами событий в том смысле, что вероятность возникновения определенных явлений в этих компьютерных расчетах считается пропорциональной вероятности соответствующего события в реальном мире. Все эти модели хорошо работали в согласовании с прошлыми экспериментами на других ускорителях, и даже имели некую предсказательную силу, но с новыми результатами, полученными на БАК, они пока никак не совпадают. Комментирует Андрей Леонидов, профессор ФИАН и ведущий научный сотрудник сектора физики высоких энергий.
«Изучение множественного рождения при высоких энергиях это одна из фундаментальных физических проблем. И доклад Брука был посвящен массиву экспериментальной информации, которая была наработана на коллайдере LHC. Там ситуация сложилась очень интересная – имеющиеся модели не описывают многие существенные свойства событий. В типичной их конструкции как-то сшивается физика мягких адронных струй и жесткого адронного излучения, а сами они были откалиброваны, чтобы успешно описывать FNAL, предыдущий ускоритель. В результате, в этом докладе буквально не было ни одного графика, в котором теория совпала с новым экспериментом. То есть многие свойства множественного рождения современные модели не описывают вовсе»
Так профессор Брук рассказал о расхождениях предсказаний с реальными данными по возникновению частиц со «странными» кварками в составе или нарушениях в соотношении барионной и антибарионной материи. Но все эти нестыковки, как подчеркнул Брук, только развязывают исследователям руки и лишний раз показывают сложную структуру КХД. Ведь новые данные могут помочь в улучшении моделей генераторов событий, мягкого производства частиц, мультичастичных столкновений и многих других явлений. С оптимизмом английского физика согласен и Андрей Леонидов.
«Все предыдущие модели в новых экспериментах показали себя в разной степени неуспешными, и это создает интересное поле для изучения. Но ведь эти же модели не просто так собрали – это лучшее, что человечество может предложить на эту тему. Не то, что какие-то провинциальные люди что-то там написали и это по случайности используется на LHC. На LHC используется лучшее, что есть, и это лучшее пока работает неважно. А тема эта очень важна, потому что процессы множественного рождения постоянно происходят в коллайдере. Это доминирующие процессы с большим сечением. И они потенциально влияют на все остальные процессы, определяют их фон. Кроме того, это фундаментально и интересно. Так что ничего печального нет, ждем новых результатов!»
М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»
28.02.2013
Пожалуй, сложно не согласиться, что главным героем научных новостей этого года стал Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC). Еще летом международная коллаборация ученых проекта заявляет о долгожданном открытии бозона Хиггса, осенью все обсуждают неизбежность Нобелевской премии, а вскоре, кажется, совершенно неожиданно, сообщается о закрытии коллайдера на ремонт и модернизацию. Андрей Владимирович Леонидов, ведущий научный сотрудник сектора физики высоких энергий ФИАН, помог нам разобраться в этих загадках главного научного эксперимента современности.
- Какие основные итоги работы LHC на сегодняшний день?
- Грандиозным событием является обнаружение бозона Хиггса. Хотя, кстати, само это словосочетание в научных статьях с LHC не употребляется. Тем не менее, все специалисты практически уверены, что наблюдается именно этот бозон.
- Откуда тогда берутся такие аккуратные формулировки? Что это – дополнительная перестраховка?
- Чтобы сказать, что обнаруженная частица – это бозон Хиггса, нужно быть уверенным, что у него спин равен нулю, а не двум. Но весь набор имеющихся экспериментальных данных еще не закрывает абстрактной возможности ненулевого спина. Так что этой осторожностью современная экспериментальная физика делает всё возможное, чтобы быть наукой, а не газетными публикациями. Люди очень аккуратно относятся к качеству материала, который дают, что для современного мира, по-моему, не очень характерно. Такая аккуратность особенно приятна и может только радовать.
- Почему открытие бозона Хиггса так важно для современной физики?
- Сама объединенная теория электрослабых взаимодействий была многократно подтверждена экспериментально и в настоящий момент нет сомнений в её правильности. Но в этой теории есть одно тонкое место, связанное с калибровочной симметрией. Вы, наверное, слышали: основная калибровочная симметрия этой теории, а именно SU(2) симметрия, запрещает иметь исходные массы как для частиц материи – кварков и лептонов, так и для переносчиков слабых взаимодействий – W и Z бозонов. Принцип калибровочная инвариантность - это самое сердце теории и очень сложно представить, что сейчас могло бы его заменить.
- Но ведь в реальности все эти частицы обладают массой?
- Да, конечно, да! Но в теории всё, за что только ни возьмись, должно быть без массы. Но давайте начнем с переносчиков слабых взаимодействий. Исходно в теории они массивными быть не могут, а в эксперименте волшебным образом ведут себя, как если бы они были массивными. И как устроить непротиворечивую конструкцию, которая обеспечивает такое поведение? Нужно придумать такой механизм, чтобы при наших сравнительно низких энергиях частицы были эффективно массивными, а при высоких– безмассовыми.
- А почему при высоких энергиях частицы всё равно должны оставаться безмассовыми?
- Потому что теория вообще безмассовая, а массу вы можете дать только эффективным образом и только при низких энергиях. За счет спонтанного нарушения калибровочной симметрии, которое никаким нарушением симметрии на самом деле не является. Оно лишь имитирует нарушение – при низких энергиях появляется эффективная масса, а при высоких всё остается по-прежнему. Вот этот механизм обеспечивается за счёт наличия в модели поля Хиггса. Оно позволяет эффективно набрать лептонам массу одновременно с W и Z бозонами, не нарушая калибровочной симметрии. То есть одно комплексное скалярное поле решает сразу две проблемы. Из того, что я рассказал, видно, что это довольна тонкая конструкция и поэтому крайне интересная.
- Как теперь дальше развивать эту конструкцию и Стандартную модель?
- Начнем с того, что мы и так уже знаем очень многое. Знаем, что происходит с частицами материи, умеем хорошо описывать различные процессы. Но нам теперь нужно изучить и проверить механизм, который осуществляет вот это самое спонтанное нарушение. А придумать можно самые разные варианты этого механизма. Например, в сверхпроводнике тоже есть спонтанное нарушение симметрии, но оно происходит за счёт конденсации куперовских пар фермиона и нефермиона. И специалистам очень хотелось бы сделать что-то подобное в Стандартной модели.
- А были попытки построить какие-то такие аналогичные сверхпроводникам теории в Стандартной модели?
- Да, конечно. Сверхпроводимость – это 60-ые годы, и с тех пор в Стандартной модели неоднократно предпринимались разные попытки построить аналог теории куперовских пар. Но все эти попытки проваливаются из-за одной очень специальной черты Стандартной модели, а именно – отсутствия нейтральных токов, смешивающих частицы материи из разных поколений. Если попробовать упрощено рассказать, у Вас нет нейтрального, то есть не меняющего электрический заряд, тока, который переводит частицы одного поколения в частицы другого. А все эти теории типично предсказывают наличие таких токов на уровне, запрещенном экспериментом.
- Почему тогда всем так хотелось построить теорию по образу сверхпроводимости?
- Потому что с фундаментальной точки зрения наличие скалярного поля, поля Хиггса –вещь очень неприятная. С такой теорией надо что-то делать, чтобы она была удовлетворительна с высшей точки зрения. И в этой обстановке было исключительно важно провести измерение, которое отвечает на вопрос – действует ли механизм придания массы, оговоренный современной наукой. Первый шаг на этом грандиозному пути сделан – обнаружена частица, которая по своим свойствам годится на роль обычного бозона Хиггса. Причём этот бозон сравнительно легкий, и теперь главная задача всех экспериментов по электрослабой теории на коллайдере – это точно промерить всё, что связано с жизнью этой частицы. В значительно степени, с этой целью и производится модификация коллайдера.
- Расскажите подробнее о планах модификации коллайдера.
- Нужно произвести прецизионные измерения, которые ответят на вопрос – действительно мы наблюдаем бозон Хиггса или какую-то другую частицу. А для этого нужно увеличить чувствительность и, буквально, сделать детектор лучше. Это очень многоплановый процесс, часть из которого произойдет в будущем году. И российские физики, надо сказать, здесь очень активны. 25 ноября 2012 года, кстати, проходило общее совещание всех наших организаций, участвующих в работе ЦЕРН, и оно было очень впечатляющим.
- Как в этих процессах будет участвовать ФИАН?
- На текущей фазе ФИАН участвует в основном разработкой специализированного программного обеспечения. Там было сделано очень много всего: в коллаборации CMS, в коллаборации ATLAS. Вообще, участие России в создании этого коллайдера очень впечатляет. А результаты общей всемирной работы впечатляют еще больше. То, что удалось вытащить этот бозон Хиггса в условиях больших фонов – эта теперь знаменитая кривая вместе с горбиком – является выдающимся экспериментальным достижением.
- Какие фоновые события мешали обнаружению бозона Хиггса?
- Это очень специальный вопрос. Для того чтобы вытащить полезную информацию пришлось разработать исключительно тонкую процедуру анализа данных и выделения сигнала из шума. Целую экспериментальную стратегию. И, кстати есть еще одна деталь – обнаружение бозона особенно интригует еще потому, что никакой суперсимметрии на коллайдере пока не обнаружено. Те проблемы со свойствами скалярного поля, о которых я говорил раньше, могут решаться суперсимметрией, но её не видно. Так что кто и как в природе отвечает за решения проблемы самосоглованности теории при высоких энергиях сейчас не очень ясно.
- Получается, ситуация перевернулась с ног на головы. Раньше физики знали, где искать бозон Хиггса и, наконец, его нашли, а теперь дальнейшие эксперименты идут вслепую?
- Не совсем так, конечно, но ситуация поменялась. Физика стала больше экспериментальной, чем теоретической. И теперь в значительной части именно то, что мы увидим на эксперименте, будет определять дальнейшие теоретические шаги. Многие проекты и смелые расширения Стандартной модели закрыты или почти закрыты экспериментами, а вопреки этим эстетским ожиданиям реализуется простейшая версия Стандартной модели.
- То есть многочисленные усложнения Стандартной модели оказались лишними?
- Любое рассуждение всегда не может считаться окончательным. Какой-нибудь кусочек, какой-нибудь параметр всегда могут дорабатываться, но у всех таких вещей есть пределы. И, на мой взгляд, они почти достигнуты. Хотя, в скобках надо сказать, что Стандартная модель не является самым простым вариантом спонтанного нарушения симметрии. Была в своё время очень красивая и экономная модель Джорджи- Глэшоу, которую все теоретики очень любят. Но она предсказывала отсутствие наблюдаемых в рамках одного поколения нейтральных токов. Так что не всегда соображения простоты и изящества гарантируют правильность ответа. Поэтому не будем сейчас загадывать, а лучше подождем новых экспериментальных результатов.
М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»
25.02.2013